ВОЛОКОННО-ИНТЕРФЕНЦИОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L1/00 G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконной оптике и интерферометрии, и может быть использовано для создания измерительных преобразователей давления.

Известно устройство для измерения давления, позволяющее реализовать способ определения напряжения пленочных материалов на подложке при помощи многолучевой интерференции [1] (аналог). Устройство состоит из лазера, полупрозрачного многослойного диэлектрического зеркала и исследуемого материала, находящегося на подложке.

Недостатками устройства является ограничение точности измерений, вследствие сильного влияния вибрации и температуры окружающей среды, а также отсутствие возможности измерений в труднодоступных местах.

Известна конструкция первичного преобразователя давления, представляющего собой многолучевой интерференционный датчик Фабри-Перро [2] (аналог), в котором имеется последовательно соединенные источник света, первое и второе светопередающее приспособления, между первыми концами которых установлен элемент Фабри-Перро. Каждый первый конец приспособления имеет полупрозрачное покрытие. Элемент Фабри-Перро воспринимает световые сигналы от источника через первое светопередающее приспособление. Размеры зазора в элементе выбраны таким образом, чтобы он был чувствителен к изменению параметра. Спектральные характеристики выходных световых сигналов, прошедших через элемент, соответствуют размерам зазора и, следовательно, измеряемому параметру.

К недостаткам этого изобретения следует отнести недостаточную точность измерений и низкую надежность, вследствие сложности конструкции. Ограничение по точности вызвано двумя причинами. Во-первых, через резонатор проходит расходящийся пучок света, который отфильтровывает дополнительные оптические частоты. Другой причиной является ограничение разрешающей способности процесса пространственной фильтрации, в основном возникающее вследствие конечных размеров элементарной фотоприемной площадки ПЭС-матрицы (матричного фотоприемника). Наличие подвижных частей, требование строгой параллельности торцов резонатора снижают надежность устройства и усложняют его конструкцию.

К настоящему времени уже разработано большое количество датчиков давления. Перспективными среди них являются оптические датчики давления, в частности, световодные датчики давления, реализованные на основе пьезооптического эффекта [3-8]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система измерения давления [8] которая содержит пьезооптический датчик давления и оптоэлектронный приемопередающий модуль, выполняющий роль регистрирующего устройства, соединенные между собой волоконно-оптическим кабелем. Датчик состоит из поляризатора, чувствительного элемента, линзы, выполняющей роль направленного ответвителя, мембраны и корпуса. Волоконно-оптический кабель состоит из подводящего и отводящего световодов и соединяется с датчиком оптическим разъемом, расположенным в основании корпуса.

К недостаткам этой системы относятся большие габариты датчика и ограничение разрешающей способности и, как следствие, низкая точность измерений.

Изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в уменьшении габаритов при повышении точности и быстродействия измерений.

Указанный результат достигается тем, что волоконная интерференционная система измерения давления, содержащая источник излучения, световод, чувствительный элемент с нанесенным на него отражательным покрытием, направленный ответвитель, регистрирующее устройство, снабжено соединенным с источником излучения амплитудно-спектральным модулятором оптического излучения, состоящим из устройства управления и последовательно соединенных модулятора спектра и амплитудного модулятора, выход которого, являющийся выходом амплитудно-спектрального модулятора, соединен с направленным ответвителем, один выход которого соединен с регистрирующим устройством, а другой через световод с чувствительным элементом, при этом чувствительный элемент представляет собой слоистую структуру оптически прозрачный материалов, образующую голографический фильтр, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенные фотоприемник и частотомер.

На фиг.1 представлена структурная схема волоконно-интерференционной системы измерения.

На фиг.2 представлена конструкция чувствительного элемента измерительной системы.

На фиг.3 изображены функциональные зависимости, поясняющие принцип действия системы измерения давления.

На фиг. 4 представлены выходные спектральные (фиг.4а) и частотные (фиг. 4б) зависимости волоконно-интерференционной системы измерения давления.

На фиг. 5 изображены выходные зависимости от приложенного усилия для голографического фильтра.

Волоконно-интерференционная система измерения давления (фиг.1) содержит источник 1 полихроматического излучения, амплитудно-спектральный модулятор 2, состоящий из устройства 3 управления, модулятора 4 спектра и амплитудного модулятора 5, регистрирующее устройство 6, включающее частотомер 7 и фотоприемник 8, направленный ответвитель 9, световод 10, чувствительный элемент в виде голографического фильтра 11, отражатель 12.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение на выходе источника 1 полихроматического излучения поступает на вход амплитудно-спектрального модулятора 2. В этом блоке осуществляется как выделение нужной длины волны (модулятор 4 спектра), так и амплитудная модуляция (амплитудный модулятор 5). Промодулированное по спектру и амплитуде оптического излучения подается на вход направленного ответвителя 9, где по световоду 10 поступает на чувствительный элемент в виде голографического фильтра 11, отразившись от отражателя 12, с помощью световода 10 возвращается в направленный ответвитель 9. В направленном ответвителе 9 определенная часть отраженного оптического излучения направляется на вход фотоприемника 8, где преобразуется в электрический сигнал в виде цифровой последовательности. Частотомер 7 измеряет частоту этого сигнала и в зависимости от значения частоты импульсов пропорционально ему определяется значение приложенного давления.

Сущность изобретения заключается в следующем.

1. Модулятор 4 спектра выделяет текущую спектральную составляющую (несущую частоту) излучения так, чтобы осуществить сканирование всего спектрального диапазона излучения (λ₁; λ₂) по линейному закону в соответствии с выражением:

где λ₁ начальное значение длины волны;
V_λ скорость измерения длины волны, определяемая как
V_λ= (λ₂- λ₁)/T₁
λ₂ конечное значение длины волны;
T₁ время измерений.

Амплитудный модулятор 5 осуществляет амплитудную модуляцию оптического потока. С помощью устройства управления процесс изменения частоты амплитудной модуляции синхронизируется с процессом изменения длины волны согласно выражению:
f(t) = K₁•λ(t), (2)
где K₁ коэффициент пропорциональности;
K₁ [0,1 50]
Такой алгоритм работы амплитудно-спектрального модулятора означает, что при изменении длины волны излучения в диапазоне [λ₁; λ₂] частота изменяется, соответственно, от f₁ до f₂. В результате каждому значению длины волны света λ₁ соответствует определенное значение частоты f₁.

2. В данном датчике в качестве чувствительного элемента используется голографический фильтр. Принцип преобразования основан на том, что положение его полосы прозрачности изменяется при приложении к нему внешнего воздействия P в виде сжатия или растяжения. Голографический фильтр может быть выполнен на торце волокна в виде объемной голограммы с периодом структуры (толщины слоев), удовлетворяющим условию оптической разности хода из соотношения:
2п₂(P):d_c= λ, (3)
где п₂(P) показатель преломления голограммы, как функция давления;
d_c толщина диэлектрического слоя;
λ длина волны света.

В результате многократных отражений от слоев с различными показателями преломления в фазе складываются только те лучи, которые удовлетворяют соотношению (3). Внешнее усилие воздействует на величину показателя преломления п₂(P), что приводит к изменению длины волны на выходе голографического фильтра. Другими словами, внешняя нагрузка P приводит к смещению полосы прозрачности фильтра в пределах диапазона
l(P) = K₂•P,
где K₂ коэффициент пропорциональности;
K₂ (0 20) кг/м.

3. Ранее в п.1 рассмотрен случай с линейно нарастающим, пилообразным законом изменения длины волны (и частоты амплитудной модуляции). В непрерывном, циклическом режиме работы датчика в моменты времени, кратные T (O, T, 2T, 3T, 4T.) в схеме происходит нелинейные процессы перескоков длин волн (λ₂- λ₁) и частотных перескоков (f₂-f₁). Такое свойство схемы ограничивает быстродействие датчика. Для исключения таких нелинейных процессов из процесса измерения предлагается использовать треугольный закон изменения длины волны (частоты) (фиг.3):

Устройство управления формирует на своем электрическом выходе сигнал в виде сигнала треугольного вида. Схематически конструкция этого устройства может представлять собой широко используемые в электронике генераторы линейно изменяющегося напряжения, некоторые схемы которых представлены в [10]
В связи с тем, что амплитудно-спектральный модулятор выполняет основные операции: модуляцию спектра оптического излучения и амплитудную модуляцию, то далее кратко описана техническая реализация этих операций.

Модуляция спектра может быть осуществлена, например, использованием перестраиваемых источников оптического излучения (полупроводниковых лазеров, газовых лазеров на красителях и т.д.). В этом случае перестройка длины волны Δλ будет реализована от выходного сигнала устройства управления.

Амплитудная модуляция оптического излучения может осуществляться различными способами [11-13] Наиболее простым способом амплитудной модуляции оптического излучения является использование электромеханического модулятора на основе вращающего диска с прорезями.

В соответствии с вышесказанным, одним из наиболее удобных способов получения частотной (спектральной) и амплитудной модуляции является использование полупроводникового лазера [14] Эти устройства позволяют совместить оба вида модуляции при одном излучающем источнике и реализовать это на базе малогабаритных электронных устройств.

Частотомер представляет собой стандартный измерительный прибор для измерения частоты электрических сигналов. Технически конструкция частотомера может быть реализована по одной из известных электронных схем частотомеров [15]
Таким образом, использование такой схемы позволит повысить точность измерений за счет высокой чувствительности голографического фильтра. Выходной сигнал в виде частоты, а следовательно, и цифровой последовательности позволяет улучшить помехоустойчивость датчика. Применение световодов в качестве линии связи позволяет использовать датчик в удаленных местах, а конструкция позволяет сделать его малогабаритным для работы в труднодоступных местах.

Назначение и область применения датчика могут быть существенно расширены, если в чувствительном элементе использовать специализированные оптически прозрачные материалы. Например, для измерения влажности голограмма изготавливается из гидроскопического фотоматериала, например, на основе желатина.

В режиме измерения температуры в направлении распространения световой волны целесообразно иметь максимальные площадь поверхности и линейные размеры голограммы.

Измерение напряженности электрического поля может быть осуществлено при использовании в качестве покрытий пьезооптических материалов типа кварца.

Источники информации, используемые при составлении описания:
1. Авт.св. N 297860, МКИ G 01 B 9/02. Способ определения напряжения пленочных материалов на подложке при помощи многолучевой интерференции (аналог).

2. Патент США N 4329058, МКИ 356-352. Способ и устройство для многолучевого интерференционного датчика Фабри-Перро (прототип).

3. Шерклифф У. Поляризованынй свет, М. Мир, 1965, с. 125.

4. Регель В. Р. Меланхолин Н.М. Жесткий оптический динанометр. Журнал технической физики, 1954, т. 24, N 3, с. 454-459.

5. Левшина Е.С. и Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л. Атомэнергоиздат, 1983, с. 311-312.

6. Авт.св. N 1154564, G 01 L 1/24. Пьезооптический измерительный преобразователь.

7. Авт. св. N 1204979 СССР, G 01 L 1/24. Пьезооптический измерительный преобразователь.

8. Ермохин М. И. Пьезооптический световой датчик давления. Приборы и системы управления, 1991, N 4, с. 27.

9. Ландсберг Г.С. Оптика, М. 1976, с. 928.

10. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах, Л. Энергоатомиздат, 1988, с. 284.

11. Пространственная модуляция света (А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, И.В. Парфенов, М. Радио и связь, 1987, с. 32, ил.

12. Катыс Г.П. и Кравцов Н.В. Модуляция и отклонение оптического излучения, М. Наука, 1967.

13. Мустель Е.Р. и Парыгин В.Н. Методы модуляции и сканирования света, М. Наука, 1970, с. 296.

14. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров, М. Наука, 1983.

15. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). П.П. Орнатский, 5-е изд. перераб. и доп. Киев, Вища школа, Головное изд-во, 1986, с. 504.

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом является уменьшение габаритов, повышение точности и быстродействия измерений. Волоконно-интерференционная система измерения давления, содержащая источник излучения, световоды, чувствительный элемент, направленный ответвитель, регистрирующее устройство, отличается от известных систем тем, что в нее введен соединенный с источником излучения амплитудно-спектральный модулятор оптического излучения, состоящий из устройства управления и последовательно соединенных модулятора спектра и амплитудного модулятора, выход которого, являющийся выходом амплитудно-спектрального модулятора, соединен с направленным ответвителем, один выход которого соединен с регистрирующим устройством, а другой через световод - с чувствительным элементом, при этом чувствительный элемент представляет собой слоистую структуру оптически прозрачных материалов, образующую голографический фильтр, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенный фотоприемник и частомер. 5 ил.

Волоконная интерференционная система измерения давления, содержащая источник излучения, световод, чувствительный элемент с нанесенным на него отражательным покрытием, направленный ответвитель, регистрирующее устройство, отличающаяся тем, что в нее введен соединенный с источником излучения амплитудно-спектральный модулятор оптического излучения, состоящий из устройства управления и последовательно соединенных модулятора спектра и амплитудного модулятора, выход которого, являющийся выходом амплитудно-спектрального модулятора, соединен с направленным ответвителем, один выход которого соединен с регистрирующим устройством, а другой через световод с чувствительным элементом, при этом чувствительный элемент представляет собой слоистую структуру оптических прозрачных материалов, образующую голографический фильтр, а регистрирующее устройство содержит последовательно соединенные фотоприемник и частотомер.